Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP
ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X
Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Hà Nội – 2015

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực
hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch
Gia Dương.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những
mô hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân,
chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước
“Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết.

Hà nội, Ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Trần Minh Ngọc


4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến
Thầy PGS.TS Bạch Gia Dương. Thầy là người luôn theo sát em
trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra
những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định
hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này.

Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy
Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để
thực hiện luận văn này. Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ,
thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng
người của mình.
Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị,
bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội

Trần Minh Ngọc


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 4
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 10
2. Mục tiêu đề tài .................................................................................................. 10
3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 10
4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................... 11
4.1 Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................... 11
4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp ........................................................... 11
5. Kết cấu luận văn ............................................................................................... 11

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X ................ 12
1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA................................................. 12
1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA ......................................................... 12
1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa ........................................ 13
1.4 Hệ số tạp âm.................................................................................................... 13
1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng ........................................................................... 15
1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường .............. 15
1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ ...................................................................................... 15
1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực ................................................................... 16
1.9. Bộ LNA dải hẹp ............................................................................................. 17
1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter ..................................................................... 20
1.9.2 Tải collector ............................................................................................... 20
1.9.3 Phân cực.................................................................................................... 21
1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA................................. 21
1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure ..................................................................... 21
a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) ............................................................... 22
b) Shot Noise (Shottky Noise) ..................................................................... 22
c) Flicker Noise (1/f Noise) ......................................................................... 22
d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) ............................................................ 23
1.10.2 Hệ số khuếch đại .................................................................................... 23
1.10.3 Tính ổn định của hệ thống ..................................................................... 25
1.10.4 Độ tuyến tính .......................................................................................... 25


6
CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM
THẤP ........................................................................................................................ 28
2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần ................................................ 28
2.1.1 Các loại đường truyền ............................................................................... 28
2.1.2 Phương trình đường truyền ...................................................................... 29

2.1.3 Hệ số phản xạ ............................................................................................ 31
2.1.4 Hệ số sóng đứng ........................................................................................ 32
2.1.5 Giản đồ Smith ............................................................................................ 32
2.2 Tham số S[5] David M. Pozar (1994), “Microwave Engineering” 3rd Edition
............................................................................................................................... 34
2.2.1 Công suất đưa ra tải .................................................................................. 35
2.2.2 Các khái niệm ............................................................................................ 35
2.2.3 Xác định tham số S .................................................................................... 35
2.2.4 Đo các hệ số truyền ................................................................................... 36
2.2.5 Xác dịnh các hệ số phản xạ ....................................................................... 36
2.3 Phối hợp trở kháng ......................................................................................... 37
2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung ............................................. 38
2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp
............................................................................................................................ 39
2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tư bước sóng ............... 39
2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ ....................... 40
2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp ........................... 41
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm .......................................................... 41
CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH ............................................ 43
3.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng và linh kiện ................................................. 43
3.1.1 Lựa chọn chương trình mô phỏng ............................................................ 43
3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thiết kế ............................................................. 43
3.2 Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại ........................................................ 45
3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng ............................................................. 45
3.2.2 Tính toán mô phỏng thiết kế ..................................................................... 45
3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin ........................................................ 46
3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối ra Zout ........................................................ 50
3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại ............................................ 54
3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khuếch đại............................................................... 55
3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế ......................................................... 59

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Thứ tự

Tên hình vẽ và bảng biểu

Hình 1.1

Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến

10

Hình 1.2

Mô hình tạp âm hai cửa

11

Hình 1.3

Mô hình tạp âm hai cửa tương đương

12

Hình 1.4

Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB), hệ số tạp, và nhiệt độ

14

Hình 1.5

Mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực

14

Hình 1.6

Mô hình để tính toán giá trị tạp âm

15

Hình 1.7

Sơ đồ khuếch đại kiểu E chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu

16

Hình 1.8

Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp

16

Hình 1.9

Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải

18

Hình 1.10 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp dùng cầu điện trở

18

Hình 1.11 Điểm nén 1-dB và Điểm chặn bậc 3

24

Hình 2.1

26

Các dạng đường truyền sóng

Trang

Biểu diễn đường truyền sóng và mạch tương đương của đoạn

Hình 2.2

đường truyền sóng siêu cao tần

28

Hình 2.3

Giản đồ Smith chuẩn

32

Hình 2.4

Sơ đồ đo

34

Hình 2.5

Sơ đồ xác định Sij

34

Hình 2.6

Sơ đồ xác định Sii

35

Hình 2.7

Sơ đồ phối hợp trở kháng

36

Hình 2.8

Mạch phối hợp trở kháng hình L

36

Hình 2.9

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4

38

Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

39

Hình 2.11 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây nối tiếp

39

Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm đơn

39


8

Hình 2.13 Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi

40

Hình 3.1

Phần mềm mô phỏng RF ADS 2009

41

Hình 3.2

Sơ đồ và chức năng từng chân của chip SPF 3043

42

Hình 3.3

Độ lợi G theo tần số của SPF 3043

42

Hình 3.4

Sơ đồ mạch khuếch đại phối hợp trở kháng

43

Hình 3.5

Phương pháp phối hợp trở kháng dùng λ/4

43

Hình 3.6

Tính toán giá trị trở kháng vào Zin

44

Hình 3.7

Trường hợp 1 của lối vào

45

Hình 3.8

Trường hợp 2 của lối vào

45

Hình 3.9

Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 1

46

Hình 3.10 Kết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 1

46

Hình 3.11 Mạch phối hợp trở kháng lối vào trường hợp 2

47

Hình 3.12 Kết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 2

47

Hình 3.13 Tính toán giá trị trở kháng ra Zout

48

Hình 3.14 Trường hợp 1 của lối ra

49

Hình 3.15 Trường hợp 2 của lối ra

49

Hình 3.16 Mạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 1

50

Hình 3.17 Kết quả tham số S11, S21 lối ra trường hợp 1

50

Hình 3.18 Mạch phối hợp trở kháng lối ra trường hợp 2

51

Hình 3.19 Kết quả tham số S11 và S21 lối ra trường hợp 2

51

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch khuếch đại

52

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch khuếch đại

52

Hình 3.22 Kết quả S11, S21, VSWR của mạch khuếch đại

53

Hình 3.23 Layout mạch khuếch đại

53

Hình 3.24 Mạch khuếch đại thực tế

54

Hình 3.25 Sơ đồ bố trí đo đạc thông số mạch khuếch đại

54


9

Hình 3.26 Kết quả đo thực nghiệm S21

55

Hình 3.27 Kết quả đo thực nghiệm S11

56

Hình 3.28 Đo đạc xác định băng thông của mạch

56


10

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, băng tần X có rất nhiều ứng dụng trong radar cảnh giới biển và hệ
thống thông tin vô tuyến với các ứng dụng rất thực tiễn như theo dõi thời tiết, kiểm
soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và
đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát.
Các bộ thu radar trên đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh và
chính xác. Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này ngày càng gắt gao hơn.
Đóng vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị radar là một bộ thu phát sóng.
Tín hiệu thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, biên độ tín hiệu thu được thường rất
nhỏ, trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu. Chính điều này dẫn đến việc phát triển
bộ Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ
gọn, hệ số khuếch đại cao hơn là rất cần thiết.
Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại băng tần X trở nên cấp

thiết và có ý nghĩa quan trọng. Chính vì vậy, quyển luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế
tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tầnbăng X” sẽ trình bày và cố gắng
làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng
bộ LNA băng X.
2. Mục tiêu đề tài
Đề tài luận văn “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín
hiệu siêu cao tần băng X ” có hai mục tiêu lý thuyết và thực tiễn:
- Về lý thuyết:
+ Trình bày tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp;
+ Trình bày cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Về thực tiễn:
+ Mô phỏng thiết kế đo đạc thông số bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở
băng tần X dùng phần mềm ADS 2009;
+ Thực thi chế tạo,đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:


11
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý
thuyết; cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp;
nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;
- Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần
mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo sản phẩm
thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X;
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa học để tìm
hiểu mạch khuếch đại tạp âm thấp đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại tạp âm
thấp băng X với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn.
4. Nội dung nghiên cứu
4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về tổng quan bộ khuếch đại tạp âm thấp;
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và tranzitor SPF 3043
4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X
- Thiết kế layout cho mạch khuếch đại
- Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER.
5. Kết cấu luận văn
Nội dung luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp X
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp
Chương 3: Mô phỏng và thực thi mạch


12

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X
1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
LNA là chữ viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Biên độ các tín hiệu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu nhận được thường rất nhỏ.
Chính vì vậy cần có bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏ
chính xác.
- Các mạch cao tần là phi tuyến, và rất nhạy cảm với nhiệt. Chính tạp âm này ảnh
hưởng rất nhiều trong quá trình thu và khôi phục lại tín hiệu dữ liệu,
- Việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, nhưng đồng thời
cũng khuếch đại tạp âm. Chính vì vậy, bộ LNA được dùng để khuếch đại tín hiệu cần
thiết để đạt được một độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp
âm (Noise).

1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA là rất cần thiết trong hệ thống thông tin di động
đặc biệt là bộ phận thu (Receiver).
Vị trí LNA đặt càng gần anten thu càng tốt, vì khi đó, tín hiệu vô tuyến thu được
từ anten – tín hiệu rất yếu (về công suất) – sẽ được khuếch đại thông qua LNA. Đồng
thời, với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu với mức tạp âm là tối
ưu. Lúc này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp nhất. Từ đây, dựa vào công
thức Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu sẽ là thấp nhất, do ảnh hưởng nhiều nhất từ
tầng khuếch đại đầu tiên.

Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến


13
1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa
Mục này trình bày bản thiết kế khái lược tạp âm trong mạng hai cửa. Việc tập
trung xây dựng mô hình hệ tạp âm loại này có thể giúp đơn giản hóa rất nhiều việc
phân tích, qua đó giúp ta hiểu rõ được ưu nhược điểm bên trong của bộ thiết kế.

Hình 1.2 Mô hình tạp âm hai cửa
1.4 Hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm là đại lượng rất quan trọng trong việc xác định tạp âm của hệ thống
nói chung và máy thu nói riêng, thường được kí hiệu là F. Để định nghĩa và hiểu rõ
tầm quan trọng của đại lượng này, ta xem xét một mạng tạp âm 2 cửa (tuyến tính) lối
vào gồm có nguồn dẫn nạp Ys và nguồn dòng tạp âm song song is. Nếu chỉ quan tâm
tới tạp âm tại lối vào lối ra, ta cũng không cần thiết phân tích quá kỹ nguồn tạp âm gây
ra bên trong mạng 2 cửa. Tuy nhiên, các nguồn gây nhiễu này có thể biểu diễn đơn
giản chỉ bằng một cặp nguồn nhiễu ngoài: Nguồn thế và nguồn dòng. Chính nhờ điều
này, ta có thể dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu của hệ
thống. Kết quả là, có thể xác định được tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu năng nhiễu lí

tưởng.
Hệ số tạp âm được định nghĩa bởi:
F ≡ (Tổng công suất tạp âm lối ra / Tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm lối vào)
(Nguồn thường đặt ở nhiệt độ phòng 290K)
(1.1)

Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỉ số tín/tạp của hệ và tỉ lệ
thuận với độ suy giảm phẩm chất này. Nếu một hệ thống (mạng 2 cửa) bản thân nó
không gây nhiễu, thì tổng công suất tạp âm lối ra phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn tạp
âm lối vào và do đó, hệ số tạp âm là bằng 1.
Trong hình 1.2, tạp âm được coi là lối vào của mạng 2 cửa không gây nhiễu nên
ta có thể tính đươc giá trị của hệ số tạp. Để tính toán trực tiếp dựa trên phương trình
(1.1), chúng ta cần thực hiện hai bước: Thứ nhất đo tổng công suất tạp âm ở lối ra, sau
đó bước thứ hai là chia kết quả nhận được cho công suất tạp âm gây ra bởi nguồn lối
vào. Một phương pháp tương tự và đơn giản hơn là đo dòng trung bình bình phương
ngắn mạch của các nguồn nhiễu sau đó chia cho tổng dòng trung bình bình phương
của nguồn nhiễu gây ra bởi lối vào. Với cùng hằng số tỉ lệ,công suất gây ra bởi nguồn
thành phần sẽ tỷ lệ thuận với dòng trung bình bình phương ngắn mạch, vì vậy mà
phương pháp trên là hoàn toàn tương đương.


14

Hình 1.3 Mô hình tạp âm hai cửa tương đương
Trong quá trình thực hiện phép đo này, vấn đề thường gặp là kết hợp các nguồn
tạp âm có bậc tương quan khác nhau. Trong trường hợp đặc biệt khi hệ số tương quan
bằng 0, xuất hiện sự xếp chồng các công suất riêng rẽ. Ví dụ, nếu giả định rằng công
suất tạp âm của nguồn và của mạng hai cửa là không tương quan thì biểu thức của hệ
số tạp âm có thể biểu diễn:
|

=

|

(1.2)

Cần chú ý, khi ta giả định rằng tạp âm của nguồn không tương quan với hai bộ
tạo tạp âm tương đương của hai cửa, phương trình (1.2) không còn đúng trong trường
hợp hai cổng phát không tương quan với nhau.
Để thiết lập tương quan và in, in là tổng của hai thành phần:
= +
(1.3)
Trong đó: ic liên quan tới en, in không liên quan. Khi ic tương quan en, nó được
coi là tỉ lệ với en theo hệ số:
=

(1.4)

Yc gọi là tương quan dẫn nạp.
Kết hợp (1.2), (1.4) hệ số tạp âm trở thành:
|

=

(

)

|

|

=1+

|

(1.5)

Phương trình (1.5) gồm 3 nguồn tạp âm tự do, mỗi nguồn có thể được coi là ồn
nhiệt sinh bởi một điện trở hoặc điện dẫn tương đương:
≡
≡
≡

(1.6)

∆

(1.7)

∆

(1.8)

∆

Sử dụng những biến đổi tương đương nên phương trình có hệ số tạp âm hoàn
toàn có thể biểu diễn theo dẫn nạp và trở kháng:
=1+

|

|

=1+

(

)

(

)

(1.9)

Trong công thức (1.9), ta dễ dàng phân tích được mỗi thành phần dẫn nạp thành
tổng của điện dẫn G và điện nạp B.


15
1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng
Một hệ tạp âm hai cửa đang xét được đặc trưng bởi bốn thông số (Gc, Bc, Rn và
Gu), phương trình (1.9) cho phép xác định các giá trị điện dẫn và điện nạp tối ưu cho
các thiết kế tạp âm thấp. Lấy đạo hàm bậc nhất đối với nguồn dẫn nạp rồi cho giá trị
bằng 0, ta thu được:
=− =
(1.10)
=

+

=

(1.11)

Từ đó, để cực tiểu hệ số tạp âm, giá trị nguồn điện nạp cần bằng với nghịch đảo
của tương quan điện nạp, trong khi đó cần chỉnh nguồn điện dẫn bằng với giá trị trong
phương trình (1.11).
Hệ số tạp âm ứng với lựa chọn được suy ra trực tiếp khi thay thế (1.10), (1.11)
vào (1.9)
= 1+2

+

= 1+2

+

+

(1.12)

Ta còn có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp:
=
+
−
+
−

(1.13)
Một điều đáng lưu ý rằng mặc dầu bản chất việc cực tiểu hóa hệ số tạp âm có
phần nào giống với cực đại hóa công suất truyền, nguồn dẫn nạp trong hai trường hợp
trên thường khác nhau như đã thấy trong phương trình (1.10) và (1.11). Kết quả là
thiết kế tối ưu về tạp âm thì phải chịu thiệt về hệ số khuếch đại và ngược lại.
1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường
Lí thuyết cổ điển chỉ hoàn toàn xác định trong trường hợp phần tử chọn riêng rẽ,
các đặc trưng được cho trước và sau đó tìm giá trị nguồn dẫn nạp tối ưu. Đây là trường
hợp thường xảy ra trong thiết kế RF riêng rẽ. Tuy nhiên, tiêu chuẩn tối ưu hóa không
cho phép chọn kích thước linh kiện tùy ý trong thiết kế mạch tích hợp, vì thế cần bổ
sung thêm điều kiện gần đúng trong một số trường hợp lí tưởng. Mục đích của chúng
ta là nêu ra những điểm chưa hoàn thiện của phương pháp này.
1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ
Ngoài hệ số ồn, hai tham số đặc trưng cho các linh kiện điện tử thường được đề
cập trong các giáo trình kĩ thuật là hệ số tạp tính theo dB và nhiệt độ tác động lên tạp
âm của linh kiện đó.


16

NF(dB)

F

TN(kelvins)

0.5

1.122

35.4

0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5

1.148
1.175
1.202
1.230
1.259
1.288
1.318
1.413
1.585
1.778
1.995
2.239

43.0
50.7

58.7
66.8
75.1
83.6
92.3
120
170
226
289
359

Hình 1.4 Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB), hệ số tạp, và nhiệt độ
1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực
Muốn nắm rõ các đặc tính (hay giới hạn) của thiết kế LNA dải hẹp, chúng ta
trước hết cần xây dựng mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực. Để phép phân tích
được dễ dàng và thuận tiện trong việc tìm hiểu cặn kẽ thiết kế, cần giả định một số
trường hợp đơn giản mà không làm sai lệch nghiêm trọng phép đo khi linh kiện hoạt
động với tần số đủ thấp. Với các tần số cao hơn, những đặc tính linh kiện (ví dụ hệ số
khuếch đại) bị suy giảm nhanh chóng …

Hình 1.5 Mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực
Mỗi lớp tiếp giáp của transistor lưỡng cực gây ồn nổ (ồn Shottky), đặc trưng bởi
nguồn dòng song song mà mật độ phổ trung bình là 2qIDC (IDC là giá trị dòng phân cực
qua vùng chuyển tiếp). Dòng ồn nổ từ hai vùng chuyển tiếp có thể xem như không liên
quan tới hầu hết các kết quả thực nghiệm, vì vậy ta có thể bỏ qua tác dụng của nó
trong các tính toán tiếp theo; điều này cho phép cộng vào trực tiếp công suất tạp âm.
Đây là dạng chồng chất gây bởi tính độc lập thống kê của nguồn tạp âm.
Ngoài sự tạo thành ồn nổ (về nguyên tắc là không thể triệt tiêu được trong các
thiết kế khuếch đại tạp âm thấp), còn có một nguồn tạo ồn nhiệt là điện trở bazơ, rb.

17
Loại ồn này gây bởi chuỗi nguồn thế có mật độ trung bình là 4kTrb. Với công nghệ chế
tạo hiện nay, thì ồn nhiệt linh kiện bán dẫn thường lớn hơn nhiều so với tạp âm gây
bởi trở emitter hay base, do vậy có thể bỏ qua tác dụng của những nguồn này. Giá trị rb
trong các bản thiết kế là một giá trị mà người thiết kế không bao giờ mong muốn,
ngoài việc phát sinh ồn nhiệt ( làm giảm hệ số tạp âm của hệ thống) như trên thì sự
xuất hiện của giá trị này sẽ ảnh hưởng không tốt đến giá trị trở kháng nguồn vào tối ưu
(tại giá trị này cho phép thiết kế LNA tạp âm đạt giá trị tốt). Mô hình tranzitor tín hiệu
nhỏ được chỉ rõ trên hình 1.5. Tuy đơn giản nhưng mô hình này lại có thể biểu diễn
được các ảnh hưởng đặc biệt quan trọng khi đo hệ số tạp của bộ khuếch đại lưỡng cực.
Xuất phát từ mô hình nêu trên, ta có thể thiết lập biểu thức toán học chính xác cho hệ
số tạp của một bộ khuếch đại và hơn nữa, tính toán được giá trị nguồn trở kháng tối
ưu.

Hình 1.6 Mô hình để tính toán giá trị tạp âm
Có rất nhiều cách biểu diễn hệ số tạp âm, song cách dưới đây tỏ ra hữu dụng
nhất: F = Tổng công suất tạp âm lối ra/công suất tạp âm lối ra gây bởi nguồn nhiễu
(thường xét với điều kiện nhiệt độ phòng 290K). (1.14)
Để dùng phương trình (1.14) đo hệ số tạp âm, nối nguồn trở kháng (ồn nhiệt) vào
mạch ở hình 1.5 rồi đo từng phần (hình 1.6). Chú ý rằng đây là trường hợp ngắn mạch.
Trong mạch thực tế, trở tải lối ra là khác không - trừ trường hợp chế tạo high-tech
space heater. Tuy nhiên từ (1.14) dễ dàng nhận thấy có thể nhận trở tải collector cho cả
tử và mẫu và cuối cùng có thể khử giá trị này, nhờ đó có thể làm việc với mọi giá trị.
Từ đây có thể chọn giá trị trở tải là 0.
Phương pháp thông dụng hơn là khử điện dung collector - base (Cµ) để thuận
tiện cho việc phân tích. Khi trở kháng tải collector nhỏ, giá trị điện dung này không
gây can nhiễu quá lớn đến phép đo. Trong các trường hợp thông thường, khi tính đến
trở tải collector bất kì, bỏ qua Cµ sẽ dẫn đến sai số đáng kể. Sai số lớn nhất khi đo
nguồn điện trở dẫn đến giá trị hệ số tạp nhỏ nhất, do vậy tùy thuộc vào cấu tạo trở tải,

nguồn điện trở lí tưởng có thể biến thiên lên xuống.
1.9. Bộ LNA dải hẹp
Những phần trước chúng ta đã phân tích và tìm hiểu được rằng các thiết kế tạp
âm thấp phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn lựa giá trị nguồn trở kháng vào tối ưu. Hơn


18
nữa, trở kháng lối vào tranzitor cao tần mang tính chất dung kháng, vì vậy khi phối
hợp trở kháng với đường dây 50Ω mà không làm giảm hệ số tạp âm của mạch là vấn
đề rất khó khăn mà người thiết kế cần phải chú ý. Phối hợp trở kháng vào ra (trở
kháng thuần trở) gần như là nhiệm vụ bắt buộc trong các thiết kế khuếch đại tạp âm
thấp, chính vì thế trong phần này chúng ta cũng sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này.

Hình 1.7Sơ đồ khuếch đại kiểu E chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu
Một phương pháp khá hay để tạo nguồn trở kháng lối vào thực không làm suy
giảm hệ số tạp âm là sử dụng mạch khuếch đại emitter chung triệt nhiễu dùng cuộn
cảm. Phương pháp này bắt nguồn từ bộ khuếch đại dùng đèn chân không từ thập kỉ 30
của thế kỷ trước. Phương pháp này có thể áp dụng cho các mạch khuếch đại dùng
tranzitor hay FET (trong trường hơp này chỉ điều chỉnh một chút trong khâu phân cực
hoạt động cho FET), trong phần này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết ở phần tiếp
theo.

Hình 1.8 Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp
Chú ý rằng suy hao điện dung(capacitive degeneration) có thể gây ra hiện tượng
điện trở âm đối trở kháng lối vào gây ra mất ổn định trong thiết kế. Chính vì thế, mọi
điện dung kí sinh từ emitter tới đất sẽ làm lệch giá trị trở kháng thực hiện bởi phương
pháp suy hao điện cảm inductive degneration. Ảnh hưởng này sẽ được tính toán trong
các thiết kế thực tế. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là thành phần điện trở trong
trường hợp này không gây ồn nhiệt như các loại thông thường khác bởi thành phần
thuần điện kháng về bản chất không gây nhiễu. Chúng ta có thể lợi dụng đặc tính này

để cung cấp nguồn trở kháng lối vào lý thuyết không làm ảnh hưởng đến NF của bộ


19
khuếch đại.
Tuy nhiên do trở kháng lối vào chỉ là thuần trở tại một giá trị tần số (cụ thể là khi
xảy ra cộng hưởng), vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng với các thiết kế dải hẹp. May
mắn là có rất nhiều trường hợp mà trong đó thiết kế dải hẹp không chỉ được chấp nhận
mà còn được sử dụng hiệu quả, vì thế độ suy hao điện cảm (inductive degeneration)
chắc chắn là một phương pháp thiết kế đem lại hiệu quả cao.
Giá trị điện cảm Le được lựa chọn để tính trở kháng lối vào cần thiết (bằng
nguồn điện trở Rs). Tại tần số cộng hưởng trở kháng lối vào có tính chất thuần trở, tuy
nhiên để đảm bảo cho tính chất trên thì người ta thêm lối vào một giá trị cuộn Lb. Ta
có VBE có giá trị lớn gấp Q lần giá trị thế lối vào. Độ hỗ dẫn toàn phần Gm trong
trường hợp này sẽ là:

=

=

(

)

=

(1.15)

Trong đó có thể sử dụng xấp xỉ gần đúng ωT với tỉ số gm1/Cπ.
Các bước thiết kế là tương đối dễ hiểu. Đầu tiên chọn dòng phân cực để có được

hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm yêu cầu rồi đó tính toán nguồn trở tối ưu sao cho hệ
số tạp là nhỏ nhất. Sau đó đưa vào một độ suy hao điện cảm đủ để cung cấp một trở
kháng lối vào mà phần thực bằng với giá trị nguồn trở tối ưu, kế tiếp chỉnh phần ảo
của nguồn trở kháng (có tính dung kháng) để đưa vào mạch tín hiệu gốc để loại bỏ các
thành phần kí sinh, từ đó tạo nên cộng hưởng lặp lối vào. Cuối cùng,thêm vào một
mạng phối hợp trở kháng phối hợp giữa tải 50Ω với trở kháng tối ưu của bộ khuếch
đại. Mạng phối hợp trở kháng thường kết hợp với giá trị điện cảm cần để tạo cộng
hưởng lặp lối vào.
Phương pháp này khá hay bởi nó giúp người thiết kế cân bằng tất cả các thông số
cần quan tâm (phối hợp trở kháng với tải và thiết kế tạp âm thấp). Ngoài ra, điều kiện
cộng hưởng lối vào cũng đảm bảo hệ số khuếch đại tốt, vì độ hỗ dẫn tỉ lệ với ωT/ω.
Chính do ảnh hưởng của các khung cộng hưởng của lối vào/ra, điều này sẽ gây ra
sự thay đổi trở kháng vào ra của bộ khuếch đại do vậy ảnh hưởng tới tần số thiết kế.
Sự thay đổi này thực sự là vấn đề mà người thiết kế cần phải chú ý. Tuy nhiên thường
thì sự dịch chuyển này chỉ làm dịch tần số thiết kế cỡ 1-2% so với tần số trung tâm (vì
khi thiết kế ta đã thiết kế tần số cộng hưởng vào/ra đã được thiết kế chặt), thế nên tại
một vài dải tần số thì sự dịch chuyển ảnh hưởng tới phối hợp trở kháng lối vào.
Để xử lý vấn đề trên người ta sử dụng mạch ghép Cascode. Song nó chỉ có hiệu
quả một phần bởi vẫn là điện trở r0 đã nói ở tầng đầu sẽ làm hạn chế hiệu quả của
cascoding. Trong những tình huống phức tạp, người ta cần dùng đến một số tầng
cascode mắc theo kiểu bazo chung. Ngoài ra, giảm giá trị trở tải của tải collector cũng
có thể giải quyết vấn đề, song cũng đồng nghĩa với việc hệ số khuếch đại giảm. vì vậy
trong thiết kế thường sử dụng kết hợp cả hai biện pháp trên, tận dụng tối đa ưu điểm
của chúng làm tăng phối hợp trở kháng và hạn chế đến mức thấp nhất những hiệu ứng
không mong đợi.


20

Hình 1.9 Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải

1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter
Các thiết kế LNA dải hẹp chịu ảnh hưởng bởi cuộn cảm nối với emitter
(inductance degeneration), vì cuộn cảm này sẽ tạo ra trở kháng lối vào thực tại lối vào
của tranzitor. Đối với tần số cao, giá trị cuộn thường là rất nhỏ nên rất khó cho việc
chế tạo. Ví dụ trong trường hợp sử dụng tranzitor 2SC3302 hoạt động với dòng phân
cực 10mA thì cuộn cảm emitter có giá trị yêu cầu cỡ 2nH để có lối vào 50Ω. Trong
trường hợp này cần chú ý tới các thành phần cuộn cảm kí sinh, các thành phần này có
thể tác động lên lối vào của tranzitor làm cho giá trị của nó mang tính chất dung
kháng, vì thế người ta thường thêm vào các thành phần tụ ở lối vào trong thiết kế để bù
trừ thành phần ký sinh đó (cần chú ý cầu trúc mạch điện cũng như khi thiết kế mạch
in).
1.9.2 Tải collector
Trong thiết kế thường tính đến trường hợp đòi hỏi cộng hưởng tải collector, tải
này sẽ làm nhiệm vụ ghép cộng hưởng với tụ ra giúp tăng hệ số khuếch đại (Gain) cho
bộ khuếch đại. Ngoài ra, người ta cũng sử dụng bộ lọc để loại trừ các tín hiệu không
mong muốn.

Hình 1.10 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp dùng cầu điện trở


21
Việc sự dụng tải này có thể dùng phần tử thụ động hoặc dùng mạch dải như trong
hình 1.10. Khi sử dụng mạch dải, nếu cần thiết có thể sử dụng một vài phương pháp
phối hợp trở kháng đặc biệt bằng cách chèn thêm các đường dây phụ (taper) dọc theo
đoạn mạch dải trên để thực hiện phối hợp trở kháng. Như vậy, trở kháng của khung
cộng hưởng sẽ đạt cực đại tại lối ra collector và đạt cực tiểu tại nguồn Vcc.
Tính chất của khung cộng hưởng có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng
dường dây mạch dải, tức là thay đổi trở kháng của đường dây. Việc thay đổi độ rộng
đường dây cũng sẽ tác động tời tỷ số L/C của đường dây và do đó thay đổi hệ số phẩm
chất của khung cộng hưởng. Bên cạnh đó, cuộn dây mạch dải này còn hoạt động như

một cuộn chặn cao tần, chúng ta sẽ thảo luận trong chương tiếp theo.
1.9.3 Phân cực
Có nhiều cách phân cực cho bộ khuếch đại hoạt động ở tần số thấp. Khi phân cực
cho tranzitor người ta có thể sử dụng mạch phân áp và thêm điện trở giúp tăng tính ổn
đinh cho mạch tại chân E của tranzitor cũng như tụ cách ly… Tuy nhiên phương pháp
này là khó có thể áp dụng đối với dải sóng cực ngắn do ảnh hưởng của các thành phần
kí sinh là rất khó kiểm soát, và việc thiết kế cũng trở nên khó khăn hơn. Việc sử dụng
trở tại chân E với mục đích ổn định điểm làm việc cho tranzitor thông qua phản hồi
âm, ta cũng có thể áp dụng phản hồi âm từ C về E như trong hình 1.10.
Nếu bỏ qua dòng bazơ, dòng chảy qua R1 và R2 là như nhau, bởi vậy thế qua R2
phụ thuộc vào dạng của thế qua R1 qua đó phụ thuộc VBE. Thế lối ra một chiều lúc
này có dạng:

=

1+

(1.16)

VBE nhạy với nhiệt độ  Vout cũng thay đổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, sự thay
đổi theo nhiệt độ này cũng không ảnh hưởng nhiều đến thiết kế nên nói chung là vẫn
có thể chấp nhận được .
Trong hình 1.10, trở tải collector R3, được cách ly bằng tụ CBFC, tụ này có tác
dụng là tụ nối đất cho tín hiệu xoay chiều. Chú ý cuối cùng trong áp dụng phương
pháp phân cực này là các điện trở phân áp phải được chọn đủ nhỏ khi có sự thay đổi
dòng base cũng làm thay đổi dòng qua collector, nếu điểm phân cực được thiết kế
không phụ thuộc vào thay đổi của dòng bazơ, thì các yêu cầu về lựa chọn điện trở này
khác hẳn với các yêu cầu đối với tạp âm nhiệt của các điện trở phân áp này. Trong
thực nghiệm, sẽ không quá khó khăn để điều chỉnh hợp lí các giá trị trên và độ suy
giảm hệ số tạp có thể giữ ở thang 10 dB hoặc nhỏ hơn.

1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA
1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure


22
Khi mạch điện được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên. Sự
dao động này tạo ra nhiệt. Đối với mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn,
lượng nhiệt tỏ ra là đáng kể. Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm, ảnh hưởng đến
tín hiệu truyền trên hệ thống. Trong hệ thống RF, tạp âm được kết hợp từ nhiều nguồn
khác nhau. Đơn vị của tạp âm thường dùng trong hệ thống RF là Công suất tạp âm.
Tạp âm nội: tạp âm được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp âm nội.
Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker
Noise.
a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)
Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise.
Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật
dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt. Trong các linh kiện điện
tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử có công suất tỉ lệ
thuận với nhiệt độ của cấu kiện này.
Công suất tạp âm được định nghĩa:
= . .∆
trong đó:

(1.17)

P: công suất tạp âm, [W]
k: hằng số Boltzmann, [J/K]
T: nhiệt độ vật dẫn, [K]
∆ : băng thông, [Hz]

b) Shot Noise (Shottky Noise)
Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng lượng
như electron trong các mạch điện ly, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ để gây ra
những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay các thiết bị bán dẫn.
Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cường
độ của ánh sáng. Shot Noise tương tực Thermal Noise, cũng có phân bố dạng Gaussian
(tạp âm trắng).
= 2. .
trong đó:

.∆

(1.18)

I: Dòng tạp âm hiệu dụng, [A]
q: giá trị điện tích electron 1,6.10-19 [C]
: dòng điện DC, [A]
∆ : băng thông, [Hz]

c) Flicker Noise (1/f Noise)


23
Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp. Flicker Noise có
mật đổ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số. Flicker Noise không ảnh hưởng nhiều đến
mạch ở tần số cao.
d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)
Ta có các định nghĩa sau:
=
= 10.

(1.19)

( ) = 10.



(1.20)

NF được tính theo đơn vị là [dB]
Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:
=

+

+

+ ⋯+

…

(1.21)

với: Fxvà Gx lần lượt là Hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x.
Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là
vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
1.10.2 Hệ số khuếch đại
Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa. S-parameter
là các thông số của ma trận tán xạ [S]

=

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1.

=

: tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng

=

: độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng

=

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2.

vào tại cửa 2.

2 cửa.

Từ định nghĩa này, ta suy ra:


24
|

|

: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 1.

|

|

: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 2.

Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xá [S] như sau:

Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất:
=

Operating Power Gain:

(1.22)

- Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán
trên tải với công suất trung bình được cấp bởi mạch.
- Độ lợi công suất hoạt động được ứng dụng cho khuếch đại công suất
ngõ ra tuyến tính cao nhất, được xác định bởi công thức:
=

|

|

.|

|

| .

|
=

Available Power Gain:

|
.

(1.23)

|

,

(1.24)

,

- Độ lợi công suất hiện hữu (độ lợi công suất thực sự): là tỉ số giữa công
suất trung bình hiện hữu cao nhất của mạch điện với công suất trung bình cao nhất
được cấp bởi nguồn.
- Độ lợi công suất hiện hữu này được sử dụng trong mạch khuếch đại tạp
âm thấp LNA, và được cho bởi công thức:
=|

| |
.

Transducer Power Gain:

|

.|

| .
=

|

,

|

(1.25)

(1.26)

- Độ lợi công suất chuyển đổi (độ lợi công suất biến năng): là tỉ số giữa
công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình cao nhất được cung cấp
bởi nguồn.


25
- Đội lợi công suất chuyển đổi đánh giá độ lợi công suất của đầu ra và
vào của mạng khi độ lợi tuyến tính là cao nhất, được cho bởi công thức:
| |

=|

.|

| .
|

|

.|

| .
|

|

| |

=|

Hay:

|

.

|

.

|
. |
|

.

|

(1.27)
(1.28)

1.10.3 Tính ổn định của hệ thống
Hệ thống ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đưa vào mà không
trở thành một mạch dao động. Mạch cao tần được đặc trưng bởi 1 hệ số ổn định K,
được định nghĩa bởi công thức:
=
trong đó:

∆=

|

|

|

.|

|.|

.

|

|∆|
|

−

.

(1.29)
(1.30)

> 1 và |∆| < 1

Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi:

Điều này tương đương một hệ số khác, gọi là -factor được đĩnh nghĩa:
=

|
∗ .∆

|
|

|.|

|

>1

(1.31)

hệ thống cũng sẽ vào trạng thái ổn định không điều kiện.
1.10.4 Độ tuyến tính
Mạch khuếch đại lý tưởng là mạch tuyến tính hoàn toàn. Có nghĩa là với mọi tín
hiệu vào sẽ đều được mạch khuếch đại. Tuy nhiên, đa số các mạch trong thực tế chỉ
tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó.
Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính. Tín hiệu vào tăng
dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bão hoà của một trong các
linh kiện của mạch. Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu
giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tưởng). Bằng cách giảm bớt độ lợi
để tín hiệu không méo dạng. Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và
tính tuyến tính của mạch.